需求和说明

严格来说，聚光光伏跟踪器的主要任务就是始终保持聚光系统的指向轴能够对准当地的太阳方位，从而获得最大的功率输出。正如下面要介绍的，必须考虑到多种误差的来源，因此需要制定偏离跟踪公差。该公差是所需最低跟踪精度，用聚光系统的接收角来描述，定义为输出功率降低至90%时的跟踪偏差角。

太阳跟踪效果下降的原因可分为两个方面:①单纯与跟踪器指向精度相关的因素;②引起聚光器系统整体接收角损失，间接增大跟踪精度需求的因素。与跟踪精度相关的因素中，以下两点是最基本的:一方面是由跟踪控制系统生成的太阳位置坐标的精度(以跟踪轴的转向角来表示);另一方面则是太阳星历表计算出的结果或者是太阳指向传感器的读数，抑或两者的结合。但无论哪种情况都受到多种误差源的影响。跟踪驱动器及其控制系统的定位精度根本上取决于跟踪速度控制系统的性能和由驱动传动装置所带来的机械回差。由跟踪系统引起的接收角损失与跟踪器顶部聚光系统所能达到的安装和对准精度有关，这个问题属于基本的设计问题，和提供的夹具有关。

确定聚光跟踪器工况条件也就是确定最大风力载荷值(即跟踪时所承受的风速)，该值越大，维持精确跟踪的极限挠度的结构就越重，同时组件也就越昂贵。因此，综合考虑跟踪器使用和安装地区的风速和直射照度情况，来确定最大风力载荷值是最经济的方法。这样就无须达到刚度要求，同时可将跟踪器转至低风载位置。通过系统分析美国国家气象中心遍布全美的(可于SOLMET数据库中获得)26个气象站所得辐照度和地表气象条件数据，美国桑迪亚国家实验室设计了用于太阳热电站的聚光器［6］。SOLMET数据库中记录着1952—1964年间美国各地的风速、风向及直射辐照度的情况。通过计算采用单轴或双轴跟踪的跟踪器在某一风速下累积的直射辐照度，发现26个气象站中的22个在高达11 m/s的风速下仍然能够获得大于95%的直射辐照度。位于蒙大拿州的大瀑布气象站可在风速13 m/s的情况下达到95%的辐照度，是26个气象站中最高的。累积直射辐照度低于95%时的风速可以被认为是最大工作风速，超过该值需将跟踪控制器置于初始位置。图11.1中给出的是西班牙城市Granada一年内的连续风速和直射辐照度的数据(考虑双轴跟踪)。

图11.1　风速与年DNI(年直射垂直辐照度)的关系

用于确定西班牙Granada的聚光组件在最大实际风力载荷的条件下的最佳工况，可以看出风速在22 km/h以下时能达到95%DNI

如果知道该跟踪器的成本与最大工作风速之间的函数关系，就能对风速临界值进行进一步微调。假如同时能够预测该聚光系统在其有效工作时间内的输出能量，它同样可以作为最大工作风速的函数，用来确定最小发电成本的最佳风速值。Inspira早期设计了应用于聚光系统的9 m2支座跟踪器［7］，该跟踪器的工作刚度通过保持孔径挠度始终在0.1°以下来确定。同样通过为Granada收集的一年的数据，人们发现输出功率最小值会在最大工作风速为22 km/h的情况下出现，从图11.1中可以看出，直射辐照度在95%范围内。

从图11.2中可以看出，对于年产量为1 000件的9 m2聚光器及其按比例扩大的16 m2和25 m2的聚光器，其跟踪器成本随着最大工作风速的增加而提高。如果在恒定风速间隔下重新进行尺寸设计，为了满足0.1°的最大挠度要求，跟踪器的成本随着工作风速的增加是呈近乎线性增加的，部分增加的成本花费在了金属结构元件上，主要是由质量的增加引起的，图11.2中给出了一些这方面的信息。图中曲线的跳跃点是由于使用新型驱动元件(轴承、齿轮组等)所造成的，这些元件的价格由其额定功率和市场价格双重因素决定。

因此，我们需要知道如何在特定地区设计跟踪器结构尺寸从而使得成本最优化，这点在建造大型聚光光伏发电厂时很有用。测量孔径表面允许的最大结构挠度，是为了限定由跟踪器的挠度而引起的CPV组件接收角的损失。

下文中给出了一个预测损失的方法以保证设计方案遵守最大挠度准则。最大挠度取决于应用于特定聚光光伏技术的接收角，获得的跟踪精度最终包含在全体聚光光伏阵列的接收角内。

图11.2　三种不同迎光面表面、年生产量为1 000件的特定跟踪器设计成本与最大工作风速的关系

跟踪精度的确定也是一个尚未解决的问题，这是因为目前还没有一个标准的仪器及测试程序能提供满足测量范围的高精度的测试。聚光光伏的开发者通常会忽略跟踪精度的准确测定，他们有时会给出高的跟踪精度，却不能进行实际测量。精准度的测量必须在保证最大功率输出时对不同的角度进行实时监控。

最后一节给出了基于固体影像传感器的系统，同时，建议利用有效的工具以确定所用CPV系统的跟踪精度。

尽管影响跟踪效率的主要因素很明确(即跟踪精度和最大风速工况条件下的最大弯曲度)，但是正如其他技术的初级阶段一样，CPV系统设计种类繁多，这制约了每一种变量设计标准的制定。相反，设计者必须采用耗时耗财的试差过程，这个过程包括了产品的生产和测试两方面。

除了从效率方面考察跟踪效果，停工检修时间也是聚光光伏跟踪器的另一个主要问题。假如在设计过程中充分考虑相关结构的规范，则无须怀疑故障是由跟踪器的机械装置引起的。此外，相比它们在其他的机械工具(例如起重机)中的应用，现有驱动装置是在相对温和的工作条件下(每天单轴交替)运行的。相反，报道的大多数问题都出现在电气和电子部件上，所以接收器的设计首先要保证能够在户外条件下可靠地运行，且要依照合适的EMC和电力安全标准以避免可能会经常出现的问题，例如功率的突变。目前跟踪控制系统中集成了微处理器，大量软件也开始应用其中，该电子设计不仅可靠且受到充分保护，其复杂的程序能防止被干扰且能使其平稳地从功率损失或降低的状态中恢复。